Программа TINA-TI и моделирование электрических схем. Задатчик - измеритель - масштабатор тока 4-20 мА. Часть 1

Сергей Скворцов, radioyearbook@gmail.com

Продолжение цикла статей. Начало в «Радиоежегоднике» вып. 20 – 23

Сразу хочу поблагодарить читателей, проявивших интерес к моей конструкции, опубликованной в [1], при обсуждении на форуме РадиоЛоцман [2]. Вначале была идея дополнить, описанный ранее Задатчик тока 4-20 мА, отдельной приставкой, дающей возможность в цифровом виде отображать не только значение тока в миллиамперах, но и масштабировать его в значение соответствующей физической величины (давления, уровня, расхода и т.д.). Однако в процессе обсуждения будущей конструкции мастера КИПиА и наладчики выразили желание иметь более функциональный прибор – «три в одном».

На фото слева (Рисунок 1): так выглядит Задатчик тока 4-20 мА, описанный в моей предыдущей статье, после нескольких лет эксплуатации; а на фото справа (Рисунок 2) новая разработка: Задатчик – измеритель – масштабатор тока 4-20 мА перед началом опытной эксплуатации.

Рисунок 1.	Рисунок 2.

Проницательный читатель, внимательно рассматривая немногочисленные органы управления на новом приборе, уже может сделать свои заключения о его принципе действия. Но «законы жанра» требуют более подробного и последовательного описания.

Как правило, в процессе наладки систем автоматизации приходится оперировать не с отвлеченными миллиамперами «токовой петли», а с реальными физическими параметрами: давление, уровень, расход, температура и т. д., – которые, в свою очередь, выражены в Па, кПа, МПа, кгс/см2, м, см, л/мин, м3/ч, %, °С и т. п. К тому же стандартный ряд верхних пределов измерений представляет собой последовательность  «некруглых» чисел: 6.3, 10, 16, 25, 40, 63…

И хотя перерасчет (масштабирование) значений тока в цифровое значение физического параметра несложен, – в пределах четырех арифметических действий, – но в «в уме» его сделать трудно. Поэтому на практике обычно ограничиваются оценкой «на глазок» или, в лучшем случае, используют какие-то таблицы. Шкала стрелочного индикатора, предложенная для Задатчика тока 4-20 мА (Рисунок 3), эту проблему решала лишь частично. Очевидно, что цифровой индикатор предпочтительнее.

Рисунок 3.	Шкала стрелочного индикатора Задатчика тока 4-20 мА.

На рынке оборудования предлагается достаточно большое количество разнообразных моделей приборов, предназначенных для измерения и наладки средств автоматизации. Я остановлюсь лишь на сравнительно недавно появившемся Измерителе токовой петли ИТП-11 [3]. (Рисунок 4).

Рисунок 4.	Внешний вид ИТП-11 – http://www.owen.ru/catalog/47630385.

Прибор ИТП-11 предназначен для измерения и индикации физических величин, преобразованных в унифицированный сигнал постоянного тока от 4 до 20 мА. Прибор содержит аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для оцифровки измеренного сигнала в токовой петле. Оцифрованный сигнал поступает в микроконтроллер (МК), где осуществляется цифровая фильтрация сигнала, а также коррекция и масштабирование. Полученное значение сигнала выводится на цифровой индикатор. Питание измерителя от токовой петли (2-проводная схема подключения, падение напряжения не более 7 В). Монтажная часть прибора имеет форму и габариты стандартной сигнализационной лампы.

На мой взгляд, этот прибор хорошо подходит для работы в паре с Задатчиком тока 4-20 мА. Однако наладчики убедили меня в том, что им будет неудобно постоянно манипулировать тремя кнопками, а лучшим вариантом будет малогабаритный тумблер для переключения режима индикации «4-20 мА» – «МАСШТАБ.» (масштабированное значение). Для выбора значений из стандартного ряда верхних пределов измерений решено было использовать галетный переключатель, например, от неисправного мультиметра (см. Рисунок 2).

И вот другие, пожалуй, самые принципиальные пункты технического задания:

• Измеритель и масштабатор должны быть выполнены без применения МК на элементах широкого применения с использованием недорогой цифровой измерительной панели с ЖК-индикатором, например, EC-213B (DCV ±200 мВ) или аналогичной.
   
• Питание измеритель и масштабатор должны получать по токовой петле 4-20 мА с падением напряжения не более 5.5 В. Питание ЖКИ измерительной панели – 9-вольтовая батарея 6F22.
   
• Погрешность измерения и масштабирования – не более 1% ±3 ед. мл. разряда индикатора.

Описание схемы

Имея продуманное техническое задание, можно начинать прорабатывать основные схемные решения. Я не буду подробно останавливаться на самом процессе разработки схемы, изображенной на Рисунке 5, а отмечу только основные моменты.

Рисунок 5.	Задатчик – измеритель – масштабатор тока 4-20 мА. Схема электрическая принципиальная.

Основой задатчика тока 4-20 мА является микросхем DA1 LM317. Он подробно описан в [1] и представляет собой двухполюсник, выполняющий функции регулируемого стабилизатора постоянного тока. Причем, отдельного источника питания для него не требуется, и устройство с соблюдением полярности может быть включено в любой участок токовой цепи. При проведении наладочных или ремонтных работ его обычно включают вместо датчика технологического параметра.

Микросхема VD3 «идеального стабилитрона» TL431 одновременно выполняет функции источника питания +5 В (задается резисторами R2, R3) и опорного напряжения около +2.5 В (выв. 3).
Резистор R1 (10 Ом) является токоизмерительным. При протекании через него тока 4…20 мА согласно с законом Ома падение напряжения на нем составит –40…–200 мВ относительно общего провода.

Операционные усилители (ОУ) DA2.1 и DA2.2 на микросхеме LM358 выполняют функцию усиления и нормализации измерительного сигнала. ОУ DA2.2 используется для непосредственного измерения тока, он преобразует входной ток 0…20 мА в выходное напряжение 0…2 В. ОУ DA2.1 масштабирует входной ток 4…20 мА в выходное напряжение 0…2 В. Оба ОУ включены по типовой схеме инвертирующего усилителя. С помощью резистора R7, подключенного к источнику опорного напряжения около +2.5 В, осуществляется сдвиг характеристики преобразования ОУ DA2.1 от нуля к 4 мА.

Галетным переключателем SA3 осуществляется выбор верхних пределов масштабатора из ряда стандартных значений. Масштабирование выполняется с помощью простых резистивных делителей R16…R39. Подстроечными резисторами обеспечивается возможность калибровки соответствующих диапазонов масштабатора.

Переключение тумблера SA1 в положение «ИЗМЕРЕНИЕ» дает возможность измерять и масштабировать до 20 мА ток, протекающий через гнезда «+ ИЗМЕРЕНИЕ –». При этом цепи задатчика тока 4-20 мА на микросхеме DA2 от измерительных цепей отключаются полностью.

Использованная литература и ссылки

Часть 2